专利名称：机床的热位移修正方法和热位移修正装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种机床的热位移修正方法和热位移修正装置。更详细而言，本发明涉及对由机床运转中产生的滚珠丝杠机构的热位移而引起的误差进行修正的方法和装置。
背景技术：
作为机床的定位机构，滚珠丝杠机构正在普及。滚珠丝杠机构的温度因丝杠轴与螺母的摩擦阻力、丝杠轴与轴承各部分的摩擦阻力、以及伺服马达的发热而上升。滚珠丝杠机构因上述的温度上升而产生热位移(伸长)。目前的数控机床的控制方式一般是半闭环式。在半闭环式的数控机床中，丝杠轴的热位移直接表现为定位误差。作为上述情况的对策，有预张力方式。预张力方式通过赋予丝杠轴预张力来吸收热膨胀。最近，数控机床使用粗的丝杠轴，且送进速度变得非常快。因此，发热量增大，在采用预张力方式时，不得不施加非常大的拉力。其结果是，存在滚珠丝杠机构的结构体产生变形的问题以及在推力轴承上作用不合理的力而产生烧结的问题等。
在日本专利特开1988年第256336号公报提出的丝杠轴的热位移修正方法中，不赋予丝杠轴不合理的预张力，且不需要特别的测定装置。在该方法中，在生产中(in-process)修正热位移量。具体而言，在第一工序中，利用伺服马达的电枢电流和电压的积来求解丝杠轴的发热量。在第二工序中，用将丝杠轴分割成多个区间的模型，利用发热量来求解温度分布。在第三工序中，根据温度分布时时刻刻地预测丝杠轴的热位移量。在第四工序中，将热位移量作为间距错误修正赋予数控装置。
日本专利特开1992年第240045号公报着眼于上述公报(日本专利特开1988年第256336号公报)的方法存在的发热量包含伺服马达本身的加减速能量的问题。在该公报(日本专利特开1992年第240045号公报)所公开的热位移量修正方法中，利用伺服马达的旋转速度来计算丝杠轴的各区间的发热量。采用该方法时，可使根据不影响加减速能量的伺服马达的旋转速度计算出的修正量近似于丝杠轴的实际伸长量。
在日本专利特开1992年第240045号公报的方法中，仅利用旋转速度来计算伺服马达的发热量。上述方法并未研究发热量因伺服马达的负载不同而不同这点。上述方法也没有公开在伺服马达的运转初期以及经过了一定时间后的修正量计算的条件。因此，上述方法在马达的运转初期即过渡状态下计算出的修正量可能与丝杠轴的实际伸长量(热位移量)不近似。
本发明的发明人实际运转伺服马达并测量了丝杠轴的端部的温度。本发明的发明人通过制作日本专利特开1992年第240045号公报所公开的热分布模型，进行了实际的丝杠轴端部的温度和使用热分布模型计算出的温度的比较实验。如图12所示，测量实际的丝杠轴的端部温度的机构包括伺服马达201、丝杠轴203、螺母204、以及工作台205。伺服马达201与丝杠轴203通过联轴器202连接。螺母204用螺纹与丝杠轴203结合。螺母204可根据丝杠轴203的旋转沿前后方向(图12中的左右方向)移动。工作台205固定在螺母204上。工作台205可与螺母204一体地沿前后方向移动。设置在支撑台上的固定轴承206和可动轴承207将丝杠轴203可自由旋转地支撑。
进行的实验的条件如下所示。
(条件1) 在工作台205移动中流经伺服马达201的平均电流和平均旋转速度是一定的。温度测定部位208(测定位置)被设定成丝杠轴端部即固定位置209。直到固定位置209的温度测定值稳定为止，工作台205以一定速度反复进行往返移动。
(条件2) 工作台205在从固定轴承206充分离开的位置上进行移动，以使螺母204的发热不会给温度测定部位208带来影响。即，只有伺服马达201和固定轴承206会给温度测定部位208的温度带来影响。
接着，本发明的发明人制作了热分布模型。由于流经伺服马达201的平均电流和平均旋转速度是一定的，因此从伺服马达201朝丝杠轴的端部传递的输入热量一定，通过求解日本专利特开1992年第240045号公报所公开的非稳态热传导方程式，计算出了各时刻的温度。
图13表示了固定位置209(参照图12)的热位移的实验值和根据热分布模型计算出的计算值。曲线图的纵轴表示丝杠轴端部(固定位置209)的温度，曲线图的横轴表示经过时间。实线是实验值，虚线是计算值。根据该结果，可得出下面的结论。丝杠轴端部的温度上升稳定之后，实验值与计算值近似。在直到温度上升稳定为止的过渡状态的期间内，计算值的温度上升比实验值的温度上升快。因此，上述方法不能进行准确的预测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在机床运转后直到温度上升稳定为止的过渡状态下可使修正量近似于丝杠轴的实际伸长量的机床的热位移修正方法和热位移修正装置。
技术方案1的机床的热位移修正方法，是一种包括具有丝杠轴和螺母的送进驱动用滚珠丝杠机构、根据加工数据来计算所述丝杠轴对所述螺母的送进量的送进量控制设备、驱动所述丝杠轴旋转的伺服马达、以及根据所述加工数据来控制所述伺服马达的旋转速度的速度控制设备的机床的热位移修正方法，包括根据所述旋转速度来求解因所述螺母的移动而在所述丝杠轴上产生的第一发热量的第一步骤；对所述伺服马达的温度上升进行检测、并根据所述温度上升来求解从所述伺服马达朝所述丝杠轴传递的第二发热量的第二步骤；根据所述第一发热量和所述第二发热量来运算将所述丝杠轴沿长度方向分割而形成的多个区间的温度分布的第三步骤；根据所述温度分布来运算所述多个区间各自的热位移量的第四步骤；以及根据所述热位移量来运算所述加工数据的修正量的第五步骤。
采用技术方案1的机床的热位移修正方法时，不仅使用因螺母的移动而在滚珠丝杠轴上产生的第一发热量，还使用与伺服马达的温度上升对应的第二发热量来运算滚珠丝杠轴的多个区间的温度分布，由此得到修正量。因此，即使是在直到伺服马达的温度稳定为止的过渡状态下，也能使修正量与滚珠丝杠轴的实际伸长量近似。从伺服马达朝滚珠丝杠轴传递的输入热量会受到伺服马达温度上升的影响，而伺服马达本身的温度上升是由负载等运转要素的影响而引起的。特别是在直到伺服马达的发热量与散热量均衡为止的期间内，伺服马达的温度时刻变化。机床的热位移修正方法通过在求解修正值的运算中使用与伺服马达的温度上升对应的第二发热量，可得到跟随马达温度变化的修正量。除了从伺服马达朝滚珠丝杠轴传递的输入热量之外，使用因螺母的移动而在滚珠丝杠轴上产生的第一发热量，针对多个区间中的每一个区间对热位移量进行运算。因此，机床的热位移修正方法可在不另行设置传感器的情况下得到精度高的修正量。
在技术方案2的机床的热位移修正方法中，伺服马达上升温度根据伺服马达的旋转速度和驱动电流值中的至少一方进行检测。采用技术方案2的机床的热位移修正方法时，无需另行使用传感器等，可使用已有的传感器得到精度高的修正量。
技术方案3的机床的热位移修正装置，是一种包括具有丝杠轴和螺母的送进驱动用滚珠丝杠机构、根据加工数据来计算所述丝杠轴对所述螺母的送进量的送进量控制设备、驱动所述丝杠轴旋转的伺服马达、以及根据所述加工数据来控制所述伺服马达的旋转速度的速度控制设备的机床的热位移修正装置，包括对所述旋转速度进行检测的速度检测设备；对所述伺服马达的温度上升进行检测的温度检测部；根据由所述速度检测设备检测到的所述旋转速度来运算因所述螺母的移动而在所述丝杠轴上产生的第一发热量的第一发热量运算部；根据由所述温度检测部检测到的所述温度上升来运算从所述伺服马达朝所述丝杠轴传递的第二发热量的第二发热量运算部；根据由所述第一发热量运算部运算出的所述第一发热量以及由所述第二发热量运算部运算出的所述第二发热量、来运算将所述丝杠轴沿长度方向分割而形成的多个区间的温度分布的温度分布运算部；根据所述温度分布来运算所述多个区间各自的热位移量的热位移量运算部；以及根据由所述热位移量运算部运算出的所述热位移量来运算加工数据的修正量的修正量运算部。
采用技术方案3的机床的热位移修正装置时，具有对伺服马达的温度上升进行检测的温度检测部，使用与温度上升对应的第二发热量来运算滚珠丝杠轴的多个区间的温度分布，由此得到修正量。因此，即使是在直到伺服马达的温度上升稳定为止的过渡状态下，也能使修正量与滚珠丝杠轴的实际伸长量近似。除了从伺服马达朝滚珠丝杠轴传递的输入热量之外，可使用因螺母的移动而在滚珠丝杠轴上产生的发热量，针对多个区间中的每一个区间对热位移量进行运算。因此，可在不另行设置传感器的情况下得到精度高的修正量。
在技术方案4的机床的热位移修正装置中，温度检测部根据伺服马达的旋转速度和驱动电流值中的至少一方来检测上升温度。采用技术方案4的机床的热位移修正装置时，无需另行使用传感器等，可使用已有的传感器得到精度高的修正量。
图1是本发明实施例的加工中心M的整体立体图。
图2是以加工中心M的主轴头部5和工具更换装置7为中心的主视图。
图3是滚珠丝杠机构的结构图。
图4是加工中心M的控制系统的方框图。
图5是分割丝杠轴来求解发热量时的说明图。
图6是温度分布运算回路19的数据区域的说明图。
图7是表示使马达的旋转速度和电流保持一定时马达本体温度与经过时间之间的关系的说明图。
图8是对马达本体温度的计算方法进行说明的说明图，图8(A)是驱动开始后从0到t1为止的马达本体温度与经过时间之间的关系图，图8(B)是驱动开始后从t1到t2为止的马达本体温度与经过时间之间的关系图，图8(C)是驱动开始后从t2到t3为止的马达本体温度与经过时间之间的关系图，图8(D)是驱动开始后从0到t3为止的马达本体温度与经过时间之间的关系图。
图9是对各部分的温度和输入各区间的发热量进行说明的图。
图10是表示各位置上的温度上升速度的图。
图11是加工中心M的位置修正控制的流程图。
图12是测量丝杠轴的端部温度用的实验装置的概略图。
图13是表示利用现有技术的方法得到的计算值和利用图12的实验装置得到的实验值的曲线图。
具体实施例方式 下面，根据实施例来说明用于实施本发明的最佳形态。
实施例1 参照图1～图4对加工中心M(机床)的结构进行说明。图1所示的加工中心M是可通过使工件和工具相对移动来对工件实施期望的机械加工(例如“铣削”、“钻孔”、“切削”等)的机床。加工中心M主要包括铸铁制的基台即底座1、设置在底座1上部的机床本体2、固定在底座1上部的保护挡板(未图示)。机床本体2进行工件的切削加工。保护挡板是将机床本体2和底座1的上部覆盖的箱状的盖。
底座1是Y轴方向上较长的大致长方体状的铸造品。在底座1下部的四个角落内分别设置有高度可调的脚部。
下面说明机床本体2。如图1所示，机床本体2主要包括柱4、主轴头部5、主轴(未图示)、工具更换装置7、以及工作台8。柱4固定在柱座部3的上表面上并朝铅垂上方延伸，柱座部3设置在底座1的后部。主轴头部5可沿柱4的前表面进行升降。主轴头部5在其内部可旋转地支撑有主轴。工具更换装置7设置在主轴头部5的右侧。工具更换装置7将安装在主轴前端的工具保持件更换成其它工具保持件。工具保持件安装有工具6。工作台8设置在底座1的上部。工作台8将工件可装拆地固定。在柱4的背面侧设置有箱状的控制箱9。控制箱9在其内侧具有控制加工中心M的动作的数控装置50。
下面说明工作台8的移动机构。伺服马达即X轴马达71(参照图4)和Y轴马达72(参照图4)使工作台8分别沿X轴方向(图1的机床本体2的左右方向)和Y轴方向(机床本体2的进深方向)移动。工作台8的移动机构具有下面的结构。在工作台8的下侧设置有长方体状的支撑台10。支撑台10在其上表面具有沿X轴方向延伸的一对X轴送进导轨。在一对X轴送进导轨上可移动地支撑有工作台8。如图3所示，在工作台8的下表面配置有螺母部8a。螺母部8a与从X轴马达71延伸出的X轴丝杠轴81螺合，由此构成滚珠丝杠机构。固定在支撑台10上的固定轴承91a对X轴丝杠轴81的X轴马达71侧的端部81a予以支撑。可动轴承91b对X轴丝杠轴81的X轴马达71相反侧的端部81b予以支撑。
在底座1的上部沿长边方向延伸的一对Y轴送进导轨上可移动地支撑有支撑台10。设置在支撑台10上的X轴马达71沿着X轴送进导轨驱动工作台8沿X轴方向移动。设置在底座1上的Y轴马达72沿着Y轴送进导轨驱动工作台8沿Y轴方向移动。Y轴的移动机构与X轴的移动机构一样，也是滚珠丝杠机构(参照图3)。
伸缩式收缩的伸缩盖11、12在工作台8的左右两侧覆盖X轴送进导轨。伸缩盖13和Y轴后盖在支撑台10的前后分别覆盖Y轴送进导轨。即使工作台8在X轴方向和Y轴方向中的任一方向上移动时，伸缩盖11、12、13和Y轴后盖也能始终覆盖X轴送进导轨和Y轴送进导轨。因此，伸缩盖11、12、13和Y轴后盖可防止从加工区域飞散出的切屑和冷却液等掉落到各导轨上。
下面说明主轴头部5的升降机构。在柱4的前面侧沿上下方向延伸的导轨(未图示)通过线性导向件(未图示)对主轴头部5进行引导，使其可自由升降。螺母(未图示)将主轴头部5与在柱4的前面侧沿上下方向延伸设置的Z轴丝杠轴(未图示)连结。Z轴马达73(参照图4)驱动Z轴丝杠轴朝正反方向旋转，从而主轴头部5沿上下方向升降驱动。Z轴控制部63a根据来自数控装置50的CPU51的控制信号来驱动Z轴马达73。通过Z轴马达73的驱动，主轴头部7升降驱动。
如图1、图2所示，工具更换装置7包括工具库14和工具更换臂15。工具库14容纳有支撑工具6的多个工具保持件。工具更换臂15对安装在主轴上的工具保持件和其它工具保持件予以把持，并进行搬运、更换。工具库14在其内侧包括多个工具座(tool pot)(未图示)和搬运机构(未图示)。工具座支撑工具保持件。搬运机构在工具库14内搬运工具座。
图4表示了加工中心M的电气结构。作为控制部的控制装置50包括微型计算机。控制装置50包括输入输出接口54，CPU51，ROM52，RAM53，轴控制部61a～64a、75a，伺服放大器61～64，以及微分器71b～74b等。伺服放大器61～64与X轴马达71、Y轴马达72、Z轴马达73、主轴马达74分别连接。轴控制部75a与库马达75连接。
X轴马达71、Y轴马达72是用于使工作台8沿X轴方向、Y轴方向分别移动的马达。库马达75是用于使工具库14旋转移动的马达。主轴马达74是用于使上述主轴旋转的马达。下面，将X轴马达71、Y轴马达72、Z轴马达73和主轴马达74总称为马达71～74。马达71～74分别包括编码器71a～74a。
轴控制部61a～64a接收来自CPU51的移动指令量，将电流指令(马达转矩指令值)分别朝伺服放大器61～64输出。伺服放大器61～64接收电流指令，分别朝马达71～74输出驱动电流。轴控制部61a～64a分别接收来自编码器71a～74a的位置反馈信号，进行位置反馈控制。微分器71b～74b分别对编码器71a～74a输出的位置反馈信号进行微分而将其转换成速度反馈信号，并将其作为速度反馈信号朝轴控制部61a～64a输出。
轴控制部61a～64a分别根据微分器71b～74b输出的速度反馈信号进行速度反馈控制。电流检测器61b～64b分别对伺服放大器61～64朝马达71～74输出的驱动电流进行检测。电流检测器61b～64b分别将驱动电流朝轴控制部61a～64a反馈。轴控制部61a～64a根据得到了反馈的驱动电流，进行电流(转矩)控制。
轴控制部75a接收来自CPU51的移动指令，驱动库马达75。
RAM53存储有与机械构造相关的参数、与物理性质相关的参数、以及后述的热分配系数(比率)ηN、ηB等。作为与机械构造相关的参数，例如有丝杠轴81的长度、直径、后述的基准位置等。作为与物理性质相关的参数，例如有密度、比热、线膨胀系数、热容量、传热系数、在公式(3)和公式(4)中使用的γ等。如图6所示，RAM53对应于后述的螺母部移动区间的区间1～n，具有存储发热量的数据区域、以及与总发热量和伺服马达的总旋转速度对应的数据区域。
下面，对在加工中心M的数值控制中使用的热位移量的计算方法进行说明。为了方便，以X轴的滚珠丝杠机构为例进行说明，但Y轴的滚珠丝杠机构和Z轴的滚珠丝杠机构也基本相同。在本计算方法中，求解丝杠轴的前部轴承部、螺母部移动区间和后部轴承部这三个区域的发热量。螺母部移动区间分割成多个区间。针对上述多个区间，求解每个区间的发热量。
(总发热量的计算) 如图5所示，将螺母部移动区间(用L来表示长度)分割成n个。在本实施例中，每经过一定时间(例如50ms)就对螺母部存在于哪个区间进行判别，并根据伺服马达的实际旋转速度(送进速度)求解发热量(第一发热量)。求解出的发热量存储在RAM53的数据区域内。发热量可使用下式进行求解。
Q＝K1×FT …(1) 在此，Q是发热量，F是送进速度，K1、T是系数。
在本实施例中，在一定时间内，每经过一定时间就对螺母部在各区间内移动而产生的发热量进行计算。在本实施例中，在6400ms的时间内，以50ms的间隔对发热量计算128次，针对每个区间将该计算出的发热量加在一起，并将其存储在与各区间1～n对应的RAM53的数据区域内。RAM53的数据区域存储有在6400ms时间内产生的各区间1～n的发热量1～n的总发热量QTTL和总旋转速度NTTL。
(总发热量的分配1) 下面所示的总发热量QTTL的分配方法根据的是与日本专利特开1992年第240045号公报相同的方法。即，螺母部移动区间、前部轴承部和后部轴承部相互间不发生热传导，在热力学上视为近似独立。各热源部的发热量相对于总发热量的比率与送进速度的变化无关，大致一定。
根据上述方法，本实施例利用下式来计算螺母部移动区间发热量QN和后部轴承部发热量QB。
QN＝ηN×QTTL QB＝ηB×QTTL 比率ηN是螺母部移动区间的发热量相对于总发热量的比率。比率ηB是后部轴承部的发热量相对于总发热量的比率。如上述方法所示，由于比率ηN、ηB是一定的，因此通过现场测定QN、QB来预先求解比率ηN、ηB。
(发热量在螺母部移动区间的各区间内的分配) 接着，本实施例求解螺母部移动区间的各区间的发热量。RAM53存储的发热量是在6400ms的时间内以50ms的间隔计算出的发热量的总计值。因此，在针对每个区间求解出了以50ms为间隔的平均发热量后，根据平均发热量和总发热量QTTL，利用下式来求解螺母部在各区间内的存在概率X1…Xi…Xn。
X1＝区间1的平均发热量/QTTL Xi＝区间i的平均发热量/QTTL XN＝区间N的平均发热量/QTTL 在本实施例中，在求解出了螺母部在各区间内的存在概率X1…Xi…Xn后，根据该存在概率和上述螺母部移动区间发热量QN，利用下式来求解分配给各区间1～n的分配发热量QN1…QNi…QNn。
QN1＝X1×QN QNi＝Xi×QN QNn＝Xn×QN (总发热量的分配2) 接着，本实施例计算前部轴承部发热量QF。前部轴承部发热量QF是因伺服马达温度上升所产生的输入热量而形成的。因此，本实施例计算伺服马达本体的温度。本实施例根据计算出的温度与丝杠轴端部的温度之间的差异，来求解输入丝杠轴端部的输入热量、即前部轴承部发热量QF(第二发热量)。
下面对伺服马达本体的温度的计算方法进行说明。参照图7，对伺服马达的旋转速度和驱动电流恒定时伺服马达的温度变化进行说明。在开始驱动加工中心M时，马达本体温度ΘM沿着曲线150上升，在一定温度下饱和。将该饱和时的温度称作饱和温度L1a。饱和温度L1a可用下式表示。
L1a＝K2·ω+K3·i2 …(2) K2、K3是伺服马达固有的常数，ω是马达旋转速度，i是伺服马达的驱动电流。
表示马达本体温度ΘM上升的曲线150可用下式表示。
ΘM＝L1a·{1—exp(—γ·t)}…(3) γ是伺服马达固有的常数，t是从驱动开始起的经过时间。若在马达本体温度ΘM达到了饱和温度L1a后(图7中是t＝8小时的时刻)停止加工中心M，则马达本体温度ΘM沿着曲线151下降。曲线151可用下式表示。
ΘM＝L1a·exp(—γ·t) …(4) γ是伺服马达固有的常数，t是从驱动停止起的经过时间。
根据上式(3)，从加工中心M的驱动开始起a分钟后的马达本体温度ΘM1a可用下式表示。
ΘM1a＝L1a·{1—exp(—γ·a/60)} 根据上式(4)，从加工中心M的驱动停止起a分钟后的马达本体温度ΘM-1a可用下式表示。
ΘM-1a＝L1a·exp(—γ·a/60) 上面对伺服马达的旋转速度和驱动电流恒定时伺服马达的温度变化进行了说明，但在实际中驱动加工中心M时，伺服马达的旋转速度和驱动电流不一定稳定。特别是在运转初期的过渡状态下，旋转速度和驱动电流并不稳定。因此，在本实施例中，每经过规定的经过时间(具体而言是6400ms)，就根据实际的旋转速度和驱动电流(具体而言是以50ms的间隔实测得到的旋转速度和驱动电流各自的平均值)，使用式(2)来求解伺服马达的饱和温度。在本实施例中，根据饱和温度和经过时间，使用上述的式(3)和式(4)来求解伺服马达本体的温度变化。在本实施例中，通过将得到的温度变化相加，来求解实际的马达本体的温度。
下面参照图8，对实际的伺服马达本体的温度的计算方法进行说明。在下面的说明中，假设在加工中心M的驱动开始后，时间经过时刻t1、t2、……(分钟)。即，时刻0、t1、t2、……之间的各个间隔是各个处理的经过时间。
在本实施例中，马达本体温度ΘM在上述经过时间内先根据上述的式(3)上升，之后根据式(4)下降。如图8(A)所示，基于从时刻0到时刻t1期间的经过时间的马达本体温度ΘMt1形成从时刻0到时刻t1上升、超过时刻t1便下降的曲线301。马达本体温度ΘMt1在时刻t1的值ΘMt1-1可根据式(3)如下地进行计算。
ΘMt1-1＝Lt1·{1—exp(—γ·t1/60)} Lt1是根据从时刻0到时刻t1期间伺服马达的实际旋转速度和驱动电流求解的饱和温度。由于马达本体温度ΘMt1在时刻t1以后根据式(4)下降，因此时刻t2的马达本体温度ΘMt1的值ΘMt1-2可如下地进行计算。
ΘMt1-2＝ΘMt1-1·exp{—γ·(t2—t1)/60} 同样地，时刻t3、t4的马达本体温度ΘMt1的值ΘMt1-3、ΘMt1-4也可根据式(4)分别如下地进行计算。
ΘMt1-3＝ΘMt1-1·exp{—γ·(t3—t1)/60} ΘMt1-4＝ΘMt1-1·exp{——γ·(t4—t1)/60} 如图8(B)所示，基于从时刻t1到时刻t2期间的经过时间的马达本体温度ΘMt2形成从时刻t1到时刻t2上升、超过时刻t2便下降的曲线302。由于可根据从时刻t1到时刻t2期间伺服马达的实际旋转速度和驱动电流来计算饱和温度Lt2，因此时刻t2、t3、t4的马达本体温度ΘMt2-1、ΘMt2-2、ΘMt2-3可使用式(3)和式(4)分别如下地进行计算。
ΘMt2-1＝Lt2·[1—exp{—γ·(t2—t1)/60}] ΘMt2-2＝ΘMt2-1·exp{—γ·(t3—t2)/60} ΘMt23＝ΘMt2-1·exp{—γ·(t4—t2)/60} 如图8(C)所示，基于从时刻t2到时刻t3的经过时间的马达本体温度ΘMt3形成从时刻t2到时刻t3上升、超过时刻t3便下降的曲线303。可与上述的ΘMt1和ΘMt2时一样地求解时刻t3、t4、t5的马达本体温度ΘMt3-1，ΘMt3-2，ΘMt3-3。
通过将按上述方法计算出的马达本体温度ΘMt1、ΘMt2、ΘMt3……的各时刻的值相加，来计算实际的马达本体温度Θ。例如，假设根据时刻t1、t2、t3、……之间的经过时间计算出了用曲线301、302、303……(参照图8(A)～(C))例示的马达本体温度ΘMt1、ΘMt2、ΘMt3。这种情况下，时刻t1的马达本体温度Θ的值X1是ΘMt1-1。时刻t2的马达本体温度Θ的值X2是ΘMt1-2+ΘMt2-1。时刻t3的马达本体温度Θ的值X3是ΘMt1-3+ΘMt2-2+ΘMt3-1。若按同样的方法求解各时刻的马达本体温度Θ的值，则马达本体温度Θ像曲线304(参照图8(D))例示的那样进行变化。
在本实施例中，根据下式(5)，使用按上述方法求解出的马达本体温度Θ来计算前部轴承部发热量QF。
QF＝K4(Θ—ΘS) …(5) K4是系数，ΘS是伺服马达侧的丝杠轴端部(在图3的例子中是端部81a)的温度。
(温度分布的计算) 在按上述方法求解出了各热源部的发热量后，CPU51根据发热量来计算温度分布。温度分布通过在{θ}t＝0、d{θ}/dtt＝0的初始条件下求解下面的非稳态热传导方程式进行求解。
[C]d{θ}/dt+[H]{θ}+{Q}＝0 …(6) [C]是热容量矩阵，[H]是热传导矩阵，{θ}是温度分布，{Q}是发热量，t是时间。
具体而言，如下地计算加工中心M驱动后(t＝0)时间经过时刻t1、t2、……(分钟)时的温度分布。
在像图5那样分割了螺母部移动区间时，可像图9那样表示各部分的温度、输入各区间的发热量。使用图9，式(6)可用下式表示。
时刻t＝0时的丝杠轴各部分的温度分布{θ}和马达本体温度Θ是已知的。因此，本实施例利用式(5)求解前部轴承部发热量QF。利用式(1)，螺母部移动区间的各区间的分配发热量QN1～QNn和后部轴承部发热量QB也成为已知。将求解出的值代入式(7)的右边。如图10所示，本实施例可求解丝杠轴各部分的温度的上升速度(d{θ}t＝0/dt)、即斜率。根据下式，本实施例根据求解出的斜率来求解t＝t1时各部分的温度{θ}。
{θ}t＝t1＝{θ}t＝0+(d{θ}t＝0/dt)×t1 本实施例利用{θ}t＝t1的丝杠轴端部温度ΘS以及根据式(3)、(4)求解出的马达本体温度Θ，根据式(5)来求解t＝t1时的QF。将求解出的值代入式(7)，求解d{θ}t＝t1/dt。其结果是，t＝t2时各部分的温度可用下式进行求解。
{θ}t＝t2＝{θ}t＝t1+(d{θ}t＝t1/dt)×(t2—t1) t＝t3、……时的温度可按同样的方法进行求解。
(热位移量的计算) 在求解出了丝杠轴的温度分布后，本实施例根据该温度分布来计算热位移量。热位移量可用下式进行求解。
ΔL＝∫L0β×θ(L)dL …(8) ΔL是热位移量，β是丝杠轴材料的线膨胀系数。
下面参照图11所示的流程图，对加工中心M的数值控制的具体步骤进行说明。CPU51利用参数等设定数据，来设定利用有限元方法进行运算时所需的矩阵。如图5所示，CPU51将丝杠轴的螺母部移动区间分割成有限个区间。通过分割区间，CPU51形成热分布模型的区域(S1)。
接着，CPU51针对在步骤S1的工序中设定的热分布模型的各区间设定初始温度{θ}t＝0。初始温度{θ}t＝0针对每个区间单独进行设定。但在可将加工中心M的温度视为与外部气体温度θair一致时，针对所有区间，初始温度{θ}t＝0均设定成外部气体温度θair。相反，在因加工中心M的驱动等而使各区间之间产生了温差时，CPU51针对各区间分别设定初始温度。CPU51将设定好的初始温度{θ}t＝0和基准位置存储在RAM53内(S2)。
CPU51每经过50ms对螺母部8a的当前位置进入哪个区间进行求解，并针对每个区间，根据送进速度的数据和式(1)来求解螺母部8a移动产生的发热量的总量(S3)。在经过了一定时间(6400ms)后，CPU51根据将每个区间的发热量加在一起得到的总发热量QTTL和螺母部移动区间的发热量的比率ηN，来计算螺母部移动区间发热量QN。CPU51根据总发热量QTTL和每个区间的平均发热量，来计算螺母部在每个区间内的存在概率。CPU51将螺母部移动区间发热量QN与存在概率的乘积值作为螺母移动产生的发热量，分配给在步骤S1中分割好的各区间(S4)。
CPU51使用流经伺服马达的电流和马达旋转速度，根据式(2)来求解饱和温度。CPU51根据上述饱和温度以及式(3)和式(4)，来求解伺服马达本体的温度上升(S5)。CPU51根据式(5)，利用伺服马达本体的温度上升和丝杠轴端部温度，来计算朝与伺服马达相邻的区间传递的输入热量、即前部轴承部发热量(S6)。
CPU51使用在步骤S4和S6中求解出的每个区间的发热量和非稳态方程式(6)，来求解各区间的温度分布(S7)。CPU51使用式(8)，利用在步骤S7中求解出的温度分布来计算各区间的热位移量(S8)。CPU51对相对于在步骤S2中储存的基准位置的热位移量、即在加工控制中使用的修正量进行计算(S9)。在修正模式开启时，CPU51将与在步骤S9中求解出的修正量相当的送进量信号朝轴控制部61a发送(S10)。CPU51一旦结束到步骤S10为止的处理，便返回步骤S3，定期地(每经过6400ms)继续运算。
执行步骤S3的CPU51相当于第一发热量运算部。执行步骤S5的CPU51相当于温度检测部。执行步骤S6的CPU51相当于第二发热量运算部。执行步骤S7的CPU51相当于温度分布运算部。执行步骤S8的CPU51相当于热位移量运算部。执行步骤S9的CPU51相当于修正量运算部。
实施例2 下面对其它实施例进行说明。与上述实施例1不同的部分在于不是利用电流和旋转速度来求解伺服马达的温度上升，而是使用安装在伺服马达上的温度传感器和测定室温的室温传感器来求解伺服马达的温度上升。
将由另行设置在X轴马达71上的温度传感器(未图示)检测到的伺服马达本体的温度ΘMO、以及由设置在加工中心M上的检测外部气体温度的室温传感器(未图示)检测到的Θatm朝CPU51发送。CPU51使用下式来求解伺服马达本体的温度上升Θ。
Θ＝ΘMO—Θatm 前部轴承部发热量QF是因伺服马达温度上升所产生的输入热量而形成的。因此，CPU51使用下式，根据伺服马达本体的温度上升Θ来求解前部轴承部发热量QF。
QF＝K5(Θ—ΘS) K5是系数，ΘS是从时刻t＝0起丝杠轴端部的温度上升。通过使用上述运算，用热位移修正算法进行求解的朝丝杠轴端部传递的输入热量的检测精度变好。因此，在实施例2中，可进一步提高热位移修正的精度。上述温度传感器和上述室温传感器相当于温度检测部。
下面，对局部变更了上述实施例的变形例进行说明。在上述实施例1中，说明了使用式(3)和(4)来求解伺服马达本体的温度上升Θ的例子。伺服马达本体的温度上升Θ也可根据离散化的一阶延时系统，使用下式进行求解。
LTn＝K6·ω+K7·i2…(9) Θn＝(1—K8)Θn-1+LTn K6、K7、K8是伺服马达固有的常数。
在仅用旋转速度来求解伺服马达的温度上升时，式(2)成为如下所示。
L1a＝K9·ω 或者，在仅用驱动电流值来求解伺服马达的温度上升时，式(2)成为如下所示。
L1a＝K10·i2 K9和K10是伺服马达固有的常数。
另外，在根据离散化的一阶延时系统，仅用旋转速度来求解伺服马达本体的温度上升时，式(9)成为如下所示。
LTn＝K11·ω 或者，在仅用驱动电流值进行求解时，式(9)成为如下所示。
LTn＝K12·i2 K11和K12是伺服马达固有的常数。
权利要求
1.一种机床的热位移修正方法，
所述机床包括
具有丝杠轴和螺母的送进驱动用滚珠丝杠机构、
根据加工数据来计算所述丝杠轴对所述螺母的送进量的送进量控制设备、
驱动所述丝杠轴旋转的伺服马达、以及
根据所述加工数据来控制所述伺服马达的旋转速度的速度控制设备，
所述机床的热位移修正方法的特征在于，包括
根据所述旋转速度来求解因所述螺母的移动而在所述丝杠轴上产生的第一发热量的第一步骤；
对所述伺服马达的温度上升进行检测、并根据所述温度上升来求解从所述伺服马达朝所述丝杠轴传递的第二发热量的第二步骤；
根据所述第一发热量和所述第二发热量来运算将所述丝杠轴沿长度方向分割而形成的多个区间的温度分布的第三步骤；
根据所述温度分布来运算所述多个区间各自的热位移量的第四步骤；以及
根据所述热位移量来运算所述加工数据的修正量的第五步骤。
2.如权利要求1所述的机床的热位移修正方法，其特征在于，根据所述旋转速度和所述伺服马达的驱动电流值中的至少一方来检测所述伺服马达的所述温度上升。
3.一种机床的热位移修正装置，
所述机床包括
具有丝杠轴和螺母的送进驱动用滚珠丝杠机构、
根据加工数据来计算所述丝杠轴对所述螺母的送进量的送进量控制设备、
驱动所述丝杠轴旋转的伺服马达、以及
根据所述加工数据来控制所述伺服马达的旋转速度的速度控制设备，
所述机床的热位移修正装置的特征在于，包括
速度检测设备，该速度检测设备对所述旋转速度进行检测；
温度检测部，该温度检测部对所述伺服马达的温度上升进行检测；
第一发热量运算部，该第一发热量运算部根据由所述速度检测设备检测到的所述旋转速度，来运算因所述螺母的移动而在所述丝杠轴上产生的第一发热量；
第二发热量运算部，该第二发热量运算部根据由所述温度检测部检测到的所述温度上升，来运算从所述伺服马达朝所述丝杠轴传递的第二发热量；
温度分布运算部，该温度分布运算部根据由所述第一发热量运算部运算出的所述第一发热量以及由所述第二发热量运算部运算出的所述第二发热量，来运算将所述丝杠轴沿长度方向分割而形成的多个区间的温度分布；
热位移量运算部，该热位移量运算部根据由所述温度分布运算部运算出的所述温度分布，来运算所述多个区间各自的热位移量；以及
修正量运算部，该修正量运算部根据由所述热位移量运算部运算出的所述热位移量，来运算加工数据的修正量。
4.如权利要求3所述的机床的热位移修正装置，其特征在于，所述温度检测部根据所述旋转速度和所述伺服马达的驱动电流值中的至少一方来检测所述温度上升。
全文摘要
一种机床的热位移修正方法和热位移修正装置，用于对因机床运转中产生的滚珠丝杠机构的热位移而引起的误差进行修正。第一发热量运算部根据由速度检测器检测到的旋转速度，来运算因螺母而在丝杠轴上产生的第一发热量。第二发热量运算部根据由温度检测部检测到的温度上升，来运算因伺服马达而在丝杠轴上产生的第二发热量。温度分布运算部根据第一发热量和第二发热量，来计算将丝杠轴沿长度方向分割而形成的多个区间的温度分布。热位移量运算部根据由温度分布运算部计算出的温度分布，来计算各区间的热位移量。修正量运算部根据由热位移量运算部计算出的热位移量，来运算螺母的送进量计算用的加工数据的修正量。
文档编号B23Q17/00GK101530974SQ20091012893
公开日2009年9月16日 申请日期2009年3月10日 优先权日2008年3月13日
发明者小林治夫 申请人:兄弟工业株式会社